JP6012526B2 - Alkali metal thermoelectric converter - Google Patents
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Description
本発明はアルカリ金属熱電変換器に関し、さらに詳細には、固体電解質を用いたアルカリ金属熱電気変換器に関する。 The present invention relates to an alkali metal thermoelectric converter, and more particularly to an alkali metal thermoelectric converter using a solid electrolyte.
ナトリウムイオン等のアルカリ金属イオンの伝導性を有するβ或いはβ"アルミナを固体電解質として用いたアルカリ金属熱電変換器(AMTEC)が知られている(例えば、特許文献1)。アルカリ金属熱電変換器は、外部から熱を受けて高温(600〜1000℃)になる高温部と、放熱して低温(100〜500℃)になる低温部とを有する真空に密閉された容器を有する。容器内には高温部と低温部とを通過するように循環路が画定され、循環路にはアルカリ金属が封入される。高温部における循環路内には、β或いはβ"アルミナである固体電解質が、循環路を第1室及び第2室に区切るように設けられる。第1室にはアノードが設けられ、第2室にはカソードが設けられる。循環路にはウィックポンプや電磁ポンプ等のポンプが設けられ、ポンプによって低温部における循環路内の液体のアルカリ金属は第1室へと輸送される。 An alkali metal thermoelectric converter (AMTEC) using β or β "alumina having conductivity of alkali metal ions such as sodium ions as a solid electrolyte is known (for example, Patent Document 1). And a vacuum-sealed container having a high-temperature portion that receives heat from the outside and becomes a high temperature (600 to 1000 ° C.) and a low-temperature portion that dissipates heat and becomes a low temperature (100 to 500 ° C.). A circulation path is defined so as to pass through the high temperature part and the low temperature part, and an alkali metal is enclosed in the circulation path. In the circulation path in the high temperature part, a solid electrolyte that is β or β ″ alumina is added to the circulation path. Is provided so as to be divided into a first chamber and a second chamber. The first chamber is provided with an anode, and the second chamber is provided with a cathode. A pump such as a wick pump or an electromagnetic pump is provided in the circulation path, and the liquid alkali metal in the circulation path in the low temperature part is transported to the first chamber by the pump.
第1室へと輸送された液体のアルカリ金属は、第1室において高温になり、一部が気体になる。気体のアルカリ金属は、固体電解質の表面において電子を放出してアルカリ金属イオンになり、固体電解質内に進入する。放出された電子は、アノードへと流れる。固体電解質内に進入したアルカリ金属イオンは、固体電解質内を通過して第2室側の表面において、カソードから電子を受け取り、気体のアルカリ金属になる。このように、アルカリ金属イオンが固体電解質を通過することによって、電子がアノードからカソードへと外部負荷を介して流れ、電流が発生する。第2室に存在する気体のアルカリ金属は、低温部へと流れて凝縮し、再びポンプによって第1室に輸送される。以上のように構成されたアルカリ金属熱電変換装置は、固体電解質の第1室側及び第2室側の表面におけるアルカリ金属の濃度差を利用した濃淡電池といえる。 The liquid alkali metal transported to the first chamber becomes high temperature in the first chamber, and a part thereof becomes a gas. The gaseous alkali metal emits electrons on the surface of the solid electrolyte to become alkali metal ions, and enters the solid electrolyte. The emitted electrons flow to the anode. The alkali metal ions that have entered the solid electrolyte pass through the solid electrolyte and receive electrons from the cathode on the surface on the second chamber side to become gaseous alkali metal. Thus, when alkali metal ions pass through the solid electrolyte, electrons flow from the anode to the cathode via the external load, and a current is generated. The gaseous alkali metal existing in the second chamber flows to the low temperature portion, condenses, and is transported to the first chamber again by the pump. The alkali metal thermoelectric conversion device configured as described above can be said to be a concentration cell that utilizes the difference in alkali metal concentration between the first chamber side and second chamber side surfaces of the solid electrolyte.
アルカリ金属熱電変換器の発電効率は、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量に依存する。そのため、固体電解質の第1室側及び第2室側の表面積を増大させる手法や、第1室及び第2室における気体のアルカリ金属の濃度差(蒸気圧差)を増大させる手法によって発電効率を高めることができる。 The power generation efficiency of the alkali metal thermoelectric converter depends on the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte. Therefore, the power generation efficiency is increased by a method for increasing the surface area of the first chamber side and the second chamber side of the solid electrolyte and a method for increasing the concentration difference (vapor pressure difference) of the alkali metal in the first chamber and the second chamber. be able to.
以上のようなアルカリ金属熱電変換器は、単セルでの起電力が0.1〜0.7Vであるため、用途に応じて必要な電位(出力電圧)を得るべく複数のセルを互いに接続する必要がある。しかしながら、複数のセルを単純に寄せ集めると、装置全体の体積が増大するという問題がある。特に、各セルに設けられる電磁ポンプ等の液体アルカリ金属を輸送する手段が装置全体で見て重複することにより装置全体が大型化する。また、各セルを接続するための配線構造が複雑になり、装置構成が複雑になるという問題がある。 In the alkali metal thermoelectric converter as described above, since the electromotive force in a single cell is 0.1 to 0.7 V, a plurality of cells are connected to each other so as to obtain a necessary potential (output voltage) according to the application. There is a need. However, if a plurality of cells are simply gathered together, there is a problem that the volume of the entire apparatus increases. In particular, the entire apparatus is enlarged because the means for transporting the liquid alkali metal such as an electromagnetic pump provided in each cell overlaps the entire apparatus. Further, there is a problem that the wiring structure for connecting each cell becomes complicated and the device configuration becomes complicated.
本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであって、複数のセルを含み、出力電圧が高いアルカリ金属熱電変換器を簡素かつコンパクトに構成することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the above background, Comprising: It makes it a subject to comprise simply and compactly the alkali metal thermoelectric converter which contains several cells and has a high output voltage.
本発明によるアルカリ金属熱電変換器(10)は、熱を受けて高温になる高温側ハウジング(32)と、放熱して低温になる低温側ハウジング(54)と、前記高温側ハウジング(32)内の高温室(36)を第1室(36A)と第2室(36B)とに区画するように設けられ、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質(38)と、前記第1室(36A)に設けられたアノード(32)と、前記第2室(36B)に設けられたカソード(48)と、前記低温側ハウジング(54)内の低温室(56)と前記第1室(36A)とを連通する第1通路(66)と、前記低温室(56)と前記第2室(36B)とを連通する第2通路(62)と、前記低温室(56)に貯容された液体のアルカリ金属とを有するセル(30)を複数有し、前記セル(30)は一つの回転軸線(X)周りに配置され、前記高温側ハウジング(32)は前記回転軸線(X)に沿った一側に配置され、前記低温側ハウジング(54)は前記回転軸線(X)に沿った他側に配置され、更に、前記複数のセル(30)を電気的に直列に接続する直列接続回路(82、84、86、88、90、92)と、前記セル(30)の全てを前記回転軸線(X)を中心として回転させる駆動装置(70)とを有し、前記回転軸線(X)を中心とした回転により生じる遠心力によって前記低温室(56)内の前記アルカリ金属を前記第1通路(66)を介して前記第1室(36A)に移動させる。 The alkali metal thermoelectric converter (10) according to the present invention includes a high temperature side housing (32) that receives heat and a high temperature side, a low temperature side housing (54) that dissipates heat and a low temperature, and the high temperature side housing (32). The high temperature chamber (36) is divided into a first chamber (36A) and a second chamber (36B), a solid electrolyte (38) that allows passage of alkali metal ions, and the first chamber (36A). ), The cathode (48) provided in the second chamber (36B), the low temperature chamber (56) in the low temperature housing (54), and the first chamber (36A). Of the liquid stored in the low temperature chamber (56), the second passage (62) communicating with the low temperature chamber (56) and the second chamber (36B). A plurality of cells (30) having an alkali metal and the front The cell (30) is arranged around one rotation axis (X), the high temperature side housing (32) is arranged on one side along the rotation axis (X), and the low temperature side housing (54) is rotated. A series connection circuit (82, 84, 86, 88, 90, 92) disposed on the other side along the axis (X) and further electrically connecting the plurality of cells (30) in series; A drive device (70) for rotating all of (30) around the rotation axis (X), and the inside of the low temperature chamber (56) by centrifugal force generated by rotation about the rotation axis (X) The alkali metal is moved to the first chamber (36A) through the first passage (66).
この構成によれば、複数のセル(30)が電気的に直列に接続されているので、高い出力電圧を得ることができる。直列接続では、液体のアルカリ金属によってセル(30)間が電気的に短絡することを回避するために、アルカリ金属はセル(30)毎に独立した流れをもって循環しなけばならない。このことに対して、アルカリ金属を循環させるための輸送が、セル(30)を駆動装置(70)によって回転軸線(X)周りに回転されることにより生じる遠心力によって行われるので、セル(30)毎にアルカリ金属を輸送するための輸送手段を個々に設ける必要がない。これにより、複数個のセル(30)を直列接続したアルカリ金属熱電変換器(10)を、輸送手段の重複を避けてコンパクトに構成することができる。 According to this configuration, since the plurality of cells (30) are electrically connected in series, a high output voltage can be obtained. In series connection, the alkali metal must circulate in an independent flow for each cell (30) to avoid electrical shorting between the cells (30) due to liquid alkali metal. On the other hand, since the transport for circulating the alkali metal is performed by the centrifugal force generated by rotating the cell (30) around the rotation axis (X) by the driving device (70), the cell (30 ) It is not necessary to provide a transportation means for transporting the alkali metal every time. Thereby, the alkali metal thermoelectric converter (10) which connected the some cell (30) in series can be comprised compactly avoiding duplication of a transport means.
本発明によるアルカリ金属熱電変換器(10)は、好ましくは、前記回転軸線(X)に直交する方向に延在する板状部材(16)を有し、前記セル(30)は前記高温側ハウジング(32)と前記低温側ハウジング(54)とを個別に構成され、前記高温側ハウジング(32)の全てが前記板状部材(16)の一方の側に固定され、前記低温側ハウジング(54)の全てが前記板状部材(16)の他方の側に固定されている。 The alkali metal thermoelectric converter (10) according to the present invention preferably has a plate-like member (16) extending in a direction orthogonal to the rotation axis (X), and the cell (30) is the high temperature side housing. (32) and the low temperature side housing (54) are configured separately, and all of the high temperature side housing (32) is fixed to one side of the plate-like member (16), and the low temperature side housing (54) Are fixed to the other side of the plate-like member (16).
この構成によれば、個別に構成された高温側ハウジング(32)と低温側ハウジング(54)との共通の支持体をなす板状部材(16)の一方の側に各セル(30)の高温側ハウジング(32)が集められ、他方の側に各セル(30)の低温側ハウジング(54)が集められているので、構造の簡素化が図られると同時に板状部材(16)をもって高温側と低温側とが明確に区画され、アルカリ金属熱電変換器(10)の温度管理が容易になる。 According to this configuration, the high temperature of each cell (30) on one side of the plate-like member (16) forming a common support for the individually configured high temperature side housing (32) and low temperature side housing (54). Since the side housing (32) is collected and the low temperature side housing (54) of each cell (30) is collected on the other side, the structure is simplified and at the same time the plate-like member (16) is And the low temperature side are clearly partitioned, and the temperature management of the alkali metal thermoelectric converter (10) becomes easy.
本発明によるアルカリ金属熱電変換器(10)は、好ましくは、前記高温側ハウジング(32)は導電性材料によって構成されて前記アノードを兼ね、前記板状部材(16)が電気絶縁性材料により構成されている。 In the alkali metal thermoelectric converter (10) according to the present invention, preferably, the high temperature side housing (32) is made of a conductive material and also serves as the anode, and the plate member (16) is made of an electrically insulating material. Has been.
この構成によれば、高温側ハウジング(32)がアノードを兼ねることにより固体電解質(38)のアノード側にアノードを別途構成する必要がなくなる。これにより、固体電解質38のアノード側面42に、アノードを構成することによる制約を受けることなくフィン46を設けることが可能になる。板状部材(16)は電気絶縁性材料によって構成されるので、高温側ハウジング(32)が導電性材料によって構成されていても、高温側ハウジング(32)は各セル(30)間で電気的に絶縁されて短絡を生じることがなく、複数のセル(30)を電気的に直列に接続することができる。
According to this configuration, since the high temperature side housing (32) also serves as the anode, it is not necessary to separately configure the anode on the anode side of the solid electrolyte (38). As a result, the
本発明によるアルカリ金属熱電変換器(10)は、好ましくは、前記回転軸線(X)と同心位置に配置されて前記板状部材(16)を取り付けられた回転軸(12)を有し、前記回転軸(12)にはアノード側とカソード側のスリップリングとの何れか一方(76)が電気絶縁状態で取り付けられており、他方(78)が電気導通状態で取り付けられており、前記直列接続回路の一方の端子が前記一方のスリップリング(76)に前記回転軸(12)とは電気絶縁状態で導電接続され、前記直列接続回路の他方の端子が前記回転軸(12)に導電接続されている。 The alkali metal thermoelectric converter (10) according to the present invention preferably has a rotating shaft (12) disposed concentrically with the rotating axis (X) and having the plate-like member (16) attached thereto, One of the anode side and cathode side slip rings (76) is attached to the rotating shaft (12) in an electrically insulated state, and the other (78) is attached in an electrically conductive state. One terminal of the circuit is conductively connected to the one slip ring (76) in an electrically insulated state from the rotating shaft (12), and the other terminal of the series connection circuit is conductively connected to the rotating shaft (12). ing.
この構成によれば、回転軸(12)が導電路の一部をなし、直列接続回路と他方のスリップリング(78)との導電接続構造が簡単になる。 According to this configuration, the rotating shaft (12) forms a part of the conductive path, and the conductive connection structure between the series connection circuit and the other slip ring (78) is simplified.
本発明によるアルカリ金属熱電変換器(10)は、好ましくは、前記高温側ハウジング(32)のそれぞれは前記回転軸線(X)を中心として互いに回転対称となる位置に配置され、前記低温側ハウジング(54)のそれぞれも前記回転軸線(X)を中心として互いに回転対称となる位置に配置されている。 In the alkali metal thermoelectric converter (10) according to the present invention, preferably, each of the high temperature side housings (32) is disposed at a rotationally symmetric position around the rotation axis (X), and the low temperature side housing ( 54) are also arranged at positions that are rotationally symmetric with respect to the rotation axis (X).
この構成によれば、高温側ハウジング(32)と低温側ハウジング(54)とが遠心力を得るべく回転軸線(X)周りに回転しても、偏心荷重による回転バランスの不均衡が生じることがない。 According to this configuration, even if the high temperature side housing (32) and the low temperature side housing (54) rotate around the rotation axis (X) to obtain a centrifugal force, an imbalance in rotational balance due to eccentric load may occur. Absent.
本発明によるアルカリ金属熱電変換器(10)は、好ましくは、前記固体電解質(38)が前記第1室(36A)側を向く部分は、当該固体電解質(38)の表面積を拡張するための凹凸(46)が設けられている。 In the alkali metal thermoelectric converter (10) according to the present invention, preferably, a portion where the solid electrolyte (38) faces the first chamber (36A) side is uneven for expanding the surface area of the solid electrolyte (38). (46) is provided.
この構成によれば、固体電解質(38)の第1室(36A)側を向く部分とアルカリ金属との接触面積が増大し、電子を放出して固体電解質(38)中に進入するアルカリ金属イオンの量が増大する。それに伴い固体電解質(38)のアノード側で分離する電子量が増え、発電容量が増大する。 According to this configuration, the contact area between the portion of the solid electrolyte (38) facing the first chamber (36A) and the alkali metal is increased, and the alkali metal ions that emit electrons and enter the solid electrolyte (38). The amount of increases. Accordingly, the amount of electrons separated on the anode side of the solid electrolyte (38) increases, and the power generation capacity increases.
本発明によるアルカリ金属熱電変換器(10)は、好ましくは、前記高温側ハウジング(32)が内燃機関の排気ガスと熱交換可能に配置されている。 In the alkali metal thermoelectric converter (10) according to the present invention, preferably, the high temperature side housing (32) is arranged to be able to exchange heat with the exhaust gas of the internal combustion engine.
この構成によれば、廃熱利用によってアルカリ金属熱電気変換器(10)が動作する。 According to this configuration, the alkali metal thermoelectric converter (10) operates by using waste heat.
本発明によるアルカリ金属熱電変換器によれば、各セルのアルカリ金属の輸送が、セルを駆動装置によって回転軸線周りに回転させることにより生じる遠心力によって行われるので、セル毎にアルカリ金属を輸送するための輸送手段を個々に設ける必要がない。これにより、複数個のセルを直列接続したアルカリ金属熱電変換器を、輸送手段の重複を避けてコンパクトに構成することができる。 According to the alkali metal thermoelectric converter of the present invention, the alkali metal in each cell is transported by the centrifugal force generated by rotating the cell around the rotation axis by the driving device, so that the alkali metal is transported for each cell. There is no need to provide individual transportation means. Thereby, the alkali metal thermoelectric converter which connected the some cell in series can be comprised compactly avoiding duplication of a transport means.
以下に、本発明によるアルカリ金属熱電変換器の一つの実施形態を、図1〜図4を参照して説明する。 Hereinafter, one embodiment of an alkali metal thermoelectric converter according to the present invention will be described with reference to FIGS.
アルカリ金属熱電変換器(AMTEC)10は、上下(鉛直方向)に延在する金属等の導電材料製の回転軸12を有する。回転軸12の軸線方向の中間部には回転軸12に一体形成されたフランジ部12Aと回転軸12に係合した固定リング14(図2参照)とによって円盤部材(板状部材)16が固定されている。円盤部材16は、セラミック等の耐熱性を有する電気絶縁材料によって構成され、回転軸12の中心軸線、即ち回転軸線Xに直交する方向(水平方向)に延在している。回転軸12は回転軸線Xと同心位置に配置されていると云える。
The alkali metal thermoelectric converter (AMTEC) 10 has a
AMTEC10は、円盤部材16より上側を500℃以上の高温環境下に配置され、円盤部材16より下側を100〜500℃程度の低温環境下に配置される。
The
円盤部材16には回転軸線Xを中心とした回転対称位置に後述するセル30の個数と同数の開口18が軸線方向(上下方向)に貫通形成されている。本実施形態では、セル30の個数が6個であることにより、開口18は回転軸線X周りに60度の回転角をもって等間隔に配置されている。開口18の平面形状は、図4に示されているように、略扇状である。
In the
円盤部材16の上面には各開口18の上側を塞ぐように平面形状が開口18の平面形状と相似形(図3参照)をした金属等の導電材料製のセル取付基板20が取り付けられている。各セル取付基板20の上面には円盤状をした2枚重ねの絶縁板22が取り付けられている。各絶縁板22は、セラミック等の耐熱性を有する電気絶縁材料によって構成され、回転軸線Xを中心とした回転対称位置に配置されている。
A
絶縁板22上には各セル30の高温側ハウジング32が取り付けられている。回転軸12の上端部には当該上端部にねじ止めされたナット24によって挟み込むようにしてもう一つの円盤部材26が取り付けられている。円盤部材26は、セラミック等の耐熱性を有する電気絶縁材料によって構成され、各セル30の高温側ハウジング32の上端面に当接している。これにより、各セル30の全ての高温側ハウジング32は、電気絶縁性の円盤部材16と26とによって軸線方向から挟まれるようにして、互いに電気的に短絡することなく個別の電気絶縁性を保って回転軸12に固定される。
On the insulating
高温側ハウジング32のそれぞれは、セル30毎に個別に存在し、各セル取付基板20の絶縁板22上に配置されていることにより、回転軸線Xを中心として互いに回転対称となる位置に、且つ回転軸線X周りに60度の回転角をもって等間隔に配置されることになる。
Each of the high
高温側ハウジング32は、熱伝導性及び電気伝導性が高い金属等の導電材料によって構成され、上端を端壁32Aによって閉じられた下部開口の円筒形状をしている。高温側ハウジング32の円筒部32Bには、熱交換可能な表面積を拡大するために、外周面より径方向外方へ突出した複数のフィン34が一体形成されている。本実施形態では、フィン34は円筒部32Bの全周に亘って設けられて円環状をなしている。
The high
高温側ハウジング32は、図2に示されているように、当該高温側ハウジング32の底板をなす絶縁板22と協働して内部に密閉構造の高温室36を画成している。高温室36には、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質38が設けられている。本実施形態では、固体電解質38は、高温下でナトリウムイオンの通過を許容するβアルミナ固体電解質又はβ"アルミナ固体電解質であり、βアルミナ又はβ"アルミナの焼結材によって上端を端壁38Aによって閉じられた下部開口の円筒形状に焼結形成されている。
As shown in FIG. 2, the high
固体電解質38は、高温室36において絶縁板22上に高温側ハウジング32と同心に配置され、絶縁板22を底板として高温室36を第1室36Aと第2室36Bとに区画している。第1室36Aは固体電解質38の外側にあり、第2室36Bは固体電解質38の内側にある。固体電解質38の外面(第1室36A側の面)はアノード(陰極)側面42をなし、固体電解質38の内面(第2室36B側の面)はカソード(陽極)側面44をなす。
The
固体電解質38の円筒部38Bには、固体電解質38の外周面、つまりアノード側面42の表面積を拡大するために、外周面より径方向外方へ突出した複数のフィン46が焼結によって一体形成されている。本実施形態では、フィン46は円筒部38Bの全周に亘って設けられて円環状をなしている。
A plurality of
高温側ハウジング32は、第1室36Aを満たす後述する液体のアルカリ金属が一方においてアノード側面42と接触し、他方において高温側ハウジング32の内周面に接触することにより、アノード(アノード電極)を兼ねる。
In the high
固体電解質38の円筒部38Bの内周面は、図2に示されているように、軸線方向の全域に亘って同一径で内径が変化せず、滑らかな(平滑な)円筒面(円周面)に形成されている。ここでの、滑らかな面や平滑な面は、曲面を含む連続した面を意味し、稜や谷等の急峻な凹凸がない面をいう。これにより、固体電解質38の焼結成形時の型(中子)抜きを行うことができる。なお、型抜きのために円筒部38Bは、下端の開口に向かうほど、内径が大きくなるテーパ形状であってもよい。
As shown in FIG. 2, the inner peripheral surface of the
固体電解質38の内面、つまりカソード側面44には、導電性及び通気性を有するカソード(カソード電極)48が形成されている。カソード48は、モリブデン等による薄膜電極であり、気体及び液体のアルカリ金属が通過できるように多孔質(三次元網目構造)に形成されている。カソード48は、スパッタリング等の公知の積層手法によって形成されればよく、固体電解質38の内面の大部分、好ましくは全域を覆うように設けられている。円筒部38Bの内周面は、軸線方向の全域に亘って同一径で内径が変化せず、滑らかな円筒面に形成されているから、欠陥のない薄膜構造のカソード48を公知の積層手法によって確実に且つ容易に形成することができる。
A cathode (cathode electrode) 48 having conductivity and air permeability is formed on the inner surface of the
カソード48の内側にはカソード48の内側空間を埋めるように多孔質リード部材50が設けられている。多孔質リード部材50は、気体及び液体のアルカリ金属が通過可能な多孔質金属体(三次元網目構造の発泡金属体)によって形成され、カソード48の全面に接触し、カソード48と電気的に接続されている。多孔質リード部材50の下端部には金属等の導電材料製の接続端子52が多孔質リード部材50と導電関係をもって固定されている。接続端子52は、多孔質リード部材50の下端面より下方に突出し、絶縁板22に貫通形成されている連通用開口22A内に進入している。
A
円盤部材16の下側には、図2に示されているように、各セル30の低温側ハウジング54が吊り下げられた状態で設けられている。低温側ハウジング54は、熱伝導性及び電気伝導性が高い金属等の導電材料によって構成され、上端を上端壁54Aによって閉じられ、下端を下端壁54Bによって閉じられた扇状横断面の筒形状をしており、内部の密閉構造の低温室56を画成している。低温側ハウジング54は各開口18に配置されて上端壁54Aを各セル取付基板20の下部に導電関係で固定されている。低温側ハウジング54の筒部54Cには、熱交換可能な表面積を拡大するために、外周面より径方向外方へ突出した複数のフィン60が一体形成されている。
As shown in FIG. 2, the low
低温側ハウジング54は、セル30毎に個別に存在し、各セル取付基板20に固定されていることにより、高温側ハウジング32と同様に、回転軸線Xを中心として互いに回転対称となる位置に、且つ回転軸線X周りに60度の回転角をもって等間隔に配置されることになる。なお、本実施形態では、高温側ハウジング32と低温側ハウジング54とは互いに回転軸線Xを中心とした同位相の回転位置に配置されている。各セル30の低温側ハウジング54は、セル取付基板20を支持する電気絶縁性の円盤部材16により、互いに電気的に絶縁されて短絡することがない個別の電気絶縁性が保証される。
The low
このように、高温側ハウジング32と低温側ハウジング54とは、個別に構成され、セル30毎の個別の電気絶縁性を保ってセル取付基板20および後述する管部材64によりに互いに電気的に接続されている。
As described above, the high
各セル30は、高温側ハウジング32および低温側ハウジング54が各セル取付基板20に配置されていることにより、回転軸線Xを中心とした回転対称位置に、且つ回転軸線X周りに等間隔に配置されることになる。しかも、各セル30の全ての高温側ハウジング32は円盤部材16の上側、つまり回転軸線Xに沿った上側に固定され、各セル30の全ての低温側ハウジング54は円盤部材16の下側、つまり回転軸線Xに沿った下側に固定されていることになる。また、各セル30の高温側ハウジング32は、低温側ハウジング54より径方向外方に存在する。
Each
低温側ハウジング54の上端部には、図2、図4に示されているように、上端壁54Aより径方向外方に延出した扇状の延出板状部54Dが低温側ハウジング54と一体形成されている。セル取付基板20の下底部には上端壁54Aと延出板状部54Dとを連続した扇形状と同一形状の枠状をした突出部20Aが形成されている。上端壁54Aおよび延出板状部54Dの周縁が突出部20Aの全周に気密に係合することにより、セル取付基板20と低温側ハウジング54とで当該両者間に通路58が画成される。
As shown in FIGS. 2 and 4, a fan-shaped extending plate-
通路58は、回転軸12の径方向に延在し、径方向外側部においてセル取付基板20に貫通形成された連通用開口20Bと絶縁板22の連通用開口22Aとを経て第2室36Bの下部に連通している。通路58は径方向内側部において上端壁54Aに貫通形成された連通用開口54Eを経て低温室56の径方向内方(最内方)の上部に連通している。このようにして、連通用開口22Aおよび20Bと、通路58と、連通用開口54Eによって第2室36Bの下端部と低温室56の径方向内方の上部とを連通する第2通路(戻り通路)62がセル30毎に個別に構成される。
The
絶縁板22とセル取付基板20と上端壁54Aとには、これらを貫通するように金属等の導電材料製の管部材64が取り付けられている。管部材64は低温室56の径方向外方(最外方)の上部と第1室36Aの下端部の径方向外方(最外方)とを連通する第1通路(往き通路)66をセル30毎に個別に画成する。同時に、管部材64は、高温側ハウジング32に接触し、高温側ハウジング32とセル取付基板20および低温側ハウジング54とを導電接続している。
A pipe member 64 made of a conductive material such as a metal is attached to the insulating
高温側ハウジング32内の第1室36Aおよび第2室36Bと、第1通路66と、第2通路62と、低温室56とは真空になっており、これらにはアルカリ金属が封入されている。本実施形態では、イオン化することによってβアルミナ又はβ"アルミナである固体電解質38を通過可能なナトリウムがアルカリ金属として使用されている。
The
回転軸12の下端部は電気絶縁性のカップリング68によって回転駆動手段である固定配置の電動モータ70の出力軸(ロータ軸)72にトルク伝達関係をもって連結されている。この電動モータ70の回転出力によって各セル30の高温側ハウジング32と低温側ハウジング54とが円盤部材16、26と共に回転軸線X周りに回転駆動される。
The lower end portion of the
各セル30の高温側ハウジング32および低温側ハウジング54は、回転軸線Xを中心とした回転対称位置に配置されているので、各セル30の高温側ハウジング32と低温側ハウジング54とが回転軸線X周りに回転しても、偏心荷重による回転バランスの不均衡が生じることがない。
Since the high
つぎに、AMTEC10の配線構造について説明する。ここで、セル30の配線構造の説明の便宜上、6個のセル30を、図3、図4に示されているように、♯1〜♯6と云う識別符号を付けて個別に説明することがある。
Next, the wiring structure of the
回転軸12の外周には、図2に示されているように、電気絶縁性のスリーブ74によって回転軸12とは電気絶縁関係にあるアノード側スリップリング76と、回転軸12とは直接に導電関係にあるカソード側スリップリング78とが軸線方向に隔置して取り付けられている。アノード側スリップリング76およびカソード側スリップリング78には、外部負荷に接続された集電ブラシ(不図示)が摺接する。各スリップリング76、78と集電ブラシとにより、回転軸線X周りに回転するAMTEC10から外部負荷に電力が供給される。
As shown in FIG. 2, an anode-
♯1のセル30の低温側ハウジング54は後述する一方の端子をなし、この低温側ハウジング54の底部には、図2、図3に示されているように、導電接続板80の一端が導電状態で取り付けられている。導電接続板80の他端はアノード側スリップリング76と導電接続されている。低温側ハウジング54は管部材64およびセル取付基板20によって高温側ハウジング32と導電関係にあるから、♯1のセル30のアノード(高温側ハウジング32)が回転軸12とは電気絶縁状態でアノード側スリップリング76と導電接続されたことになる。
The low
図3に示されているように、♯1のセル30の接続端子52にはリード線82の一端が導電接続されている。リード線82は2枚の絶縁板22の上下間を通って外方に延出し、隣接する♯2のセル30のセル取付基板20に導電接続されている。以下同様に、♯2のセル30の接続端子52にはリード線84の一端が導電接続されている。リード線84は2枚の絶縁板22の上下間を通って外方に延出し、隣接する♯3のセル30のセル取付基板20に導電接続されている。♯3のセル30の接続端子52にはリード線86の一端が導電接続されている。リード線86は2枚の絶縁板22の上下間を通って外方に延出し、隣接する♯4のセル30のセル取付基板20に導電接続されている。♯4のセル30の接続端子52にはリード線88の一端が導電接続されている。リード線88は2枚の絶縁板22の上下間を通って外方に延出し、隣接する♯5のセル30のセル取付基板20に導電接続されている。♯5のセル30の接続端子52にはリード線90の一端が導電接続されている。リード線90は2枚の絶縁板22の上下間を通って外方に延出し、隣接する♯6のセル30のセル取付基板20に導電接続されている。なお、リード線82、84、86、88、90は、各々、延出元のセル30のセル取付基板20とは接触することがない。
As shown in FIG. 3, one end of a
セル取付基板20は、管部材64および低温側ハウジング54、更にはこれらの内部に存在する液体のアルカリ金属を介して各セル30毎に個別に高温側ハウジング32と導電関係にあるから、リード線82、84、86、88、90によって♯1〜♯6による6個のセル30が直列に接続された直列接続回路が確立することになる。
Since the
♯6のセル30の接続端子52は上述の直列接続回路の他方の端子をなし、♯6のセル30の接続端子52にはリード線92の一端が導電接続されている。リード線92の他端は回転軸12に導電関係で取り付けられた導電接続板94に導電接続されている。これにより、♯6のセル30のカソード48は回転軸12を導体としてカソード側スリップリング78に導電接続される。このように、回転軸12が導電路の一部をなすことで、上述の直列接続回路とソード側スリップリング78との導電接続構造が簡単になる。
The
以下に本実施形態に係るAMTEC10の作用について説明する。
The operation of the
AMTEC10は、電動モータ70によって回転軸12が回転駆動されることにより、回転軸線X周りに回転する。これにより、6個のセル30が回転軸線X周りに一括して回転する。
The
全てのセル10の低温側ハウジング54は低温環境下にあることにより、低温室56には液体のアルカリ金属が存在しており、この液体のアルカリ金属は、回転軸線X周りの回転により生じる遠心力によって、重力に抗して回転軸線Xの径方向外方に移動して低温室56の径方向外方の壁面を伝って上方へ移動する。これにより、低温室56のアルカリ金属(液体)の液面Lは、図2に2点鎖線によって示されているようになる。なお、液面Lは、AMTEC10の回転速度に応じて変化する。
Since the low
低温室56を上方へと移動する液体のアルカリ金属は、遠心力の作用の下に第1通路66を通って高温側ハウジング32の第1室36Aへ輸送される。これにより、第1室36Aは液体のアルカリ金属によって満たされる。
The liquid alkali metal moving upward in the
全てのセル30の高温側ハウジング32は高温環境下にあることにより、第1室36Aでは液体のアルカリ金属は昇温され、一部が蒸発して気体となる。液体及び気体のアルカリ金属は、固体電解質38の第1室36A側を向く面において、電子を放出し、アルカリ金属イオンとなって固体電解質38内に進入する。放出された電子は、第1室36A内の液体のアルカリ金属を導体として高温側ハウジング5に流れる。これにより、各セル30の高温側ハウジング32は各セル30のアノードとして機能する。
Since the high
固体電解質38中のアルカリ金属イオンは、固体電解質38の第2室36B側を向く面においてカソード48から電子を受け取り、気体のアルカリ金属になる。気体のアルカリ金属は、第2室36Bの多孔質リード部材50内を通過して第2通路62を通って低温室56に戻る。低温室56に戻ったアルカリ金属は、液化し、再び遠心力の作用の下に第1通路66を通って高温側ハウジング32の第1室36Aへ輸送される。
Alkali metal ions in the
このようにしてアルカリ金属は、固体電解質38を含む高温側ハウジング32と低温側ハウジング54とをセル30毎に独立した流れをもって循環する。
In this manner, the alkali metal circulates through the high-
アルカリ金属がアルカリ金属イオンになって第1室36Aから固体電解質38内に進入する過程及びアルカリ金属イオンが気体のアルカリ金属となって固体電解質38から第2室36Bへと移動する過程によって、アノード(高温側ハウジング5)とカソード48との間に電位差が生じる。
The process in which the alkali metal becomes alkali metal ions and enters the
本実施形態では、フィン46によって固体電解質38のアノード側面42の表面積がカソード側面44の表面積に比して増大し、この表面積の増大に応じて固体電解質38のアノード側面42の第1室36Aのアルカリ金属と接触する面積が増大する。
In the present embodiment, the
これにより、高い運動エネルギーを有するアルカリ金属が固体電解質38のアノード側面42に近傍に位置する確率が高くなり、固体電解質38内へ進入するイオンの数が増大する。これに応じて固体電解質38のアノード側にて分離する電子量が増え、各セル30の発電効率が向上する。
Thereby, the probability that an alkali metal having high kinetic energy is located in the vicinity of the
そして6個のセル30のアノード(高温側ハウジング32)とカソード48とは、アノード側スリップリング76とカソード側スリップリング78との間において直列に接続されているから、アノード側スリップリング76とカソード側スリップリング78との間に、各セル30のアノード(高温側ハウジング32)とカソード48との間に生じる電位差を合計した値の電位差が生じる。
Since the anode (high temperature side housing 32) and the
高い電圧を得るために、複数のセル30を電気的に直列に接続する場合、液体のアルカリ金属によってセル30間が電気的に短絡することを回避するために、アルカリ金属は、固体電解質38を含む高温側ハウジング32と低温側ハウジング54とをセル30毎に独立した流れをもって循環輸送する必要が生じる。このことに対して、各セル30のアルカリ金属の輸送は、電動モータ70による回転軸12の回転駆動によって全てのセル30が回転軸線X周りに回転することにより生じる遠心力によって行われるので、セル30毎にアルカリ金属を輸送するための輸送手段を個々に設ける必要がない。これにより、複数個のセル30を電気的に直列に接続したAMTEC10を、輸送手段の重複を避けてコンパクトに構成することができる。
In order to obtain a high voltage, when a plurality of
回転軸12の軸線方向(回転軸線X)の一端側に各セル30の高温側ハウジング32が集められ、他端側に低温側ハウジング54が集められているため、回転軸線X周りの回転に拘わらず、複数の高温側ハウジング32を共通の高温熱源に常時曝すことができると共に、複数の低温側ハウジング54を共通の低温側熱源に常時曝すことができる。これにより、AMTEC10の温度管理を伴う運転が容易になる。更に、個別に構成された高温側ハウジング32と低温側ハウジング54との共通の支持体である円盤部材16の一方の側(上側)に各セル30の高温側ハウジング32が集められ、他方の側(下側)に各セル30の低温側ハウジング54が集められているので、構造の簡素化が図られると同時に円盤部材16をもって高温側と低温側とが明確に区画され、このことによってもAMTEC10の温度管理が容易になる。
Since the high
また、高温側ハウジング32が導電性材料によって構成されていることにより高温側ハウジング32がアノードを兼ねることになり、固体電解質38のアノード側面42にアノードを別途構成する必要がなくなる。これにより、固体電解質38のアノード側面42に、アノードを構成することによる制約を受けることなく、フィン46を設けることができる。そして各セル30の高温側ハウジング32を支持する円盤部材16が電気絶縁材料によって構成されることにより、高温側ハウジング32が導電性材料によって構成されていても各セル30間で電気的な短絡を生じることがなく、複数のセル30を電気的に直列に接続することができる。
Further, since the high
図5は、廃熱である内燃機関の排気ガスを熱源とするAMTEC10の使用例を示している。AMTEC10の受熱部である高温側ハウジング32は、換言すると円盤部材16より上側は、内燃機関の排気管100のメイン通路102内にあってメイン通路102を流れる排気ガスと熱交換可能に配置されている。これにより、高温側ハウジング32は排気ガスによって加熱される。排気ガスによる高温側ハウジング32の加熱温度は500℃以上であればよい。
FIG. 5 shows a usage example of the
AMTEC10の放熱部である低温側ハウジング54は、換言すると円盤部材16より下側は、メイン通路102と並列のバイパス通路104内に配置されている。バイパス通路104の排気ガス入口106は開閉弁108によって開閉される構造になっている。バイパス通路104には外気取入口110が形成されており、外気取入口110には外気取入用のリード弁112が取り付けられている。なお、符号114、115は各々の気密用の回転シール部である。
In other words, the low
AMTEC10の始動時には、放熱部(低温側ハウジング54)の予熱のために、開閉弁108を開いてバイパス通路104に排気ガスを流し、排気ガスによって放熱部を加熱する。放熱部の予熱は、低温室56において固体となったアルカリ金属を液体化させるために行われる。放熱部の予熱が完了した後は、開閉弁108を閉じ、リード弁112によってバイパス通路104に外気を取り込み、放熱部を受熱部より低い温度に保つ。放熱部の適正温度は受熱部の温度により決まり、100〜500℃程度であればよい。
When the
これにより、AMTEC10は内燃機関の排気ガスを熱源として動作する。
Thereby, the
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、セル30の個数は使用目的、要求電圧に応じて適宜増減することが可能である。セル30の直列接続構造も、上述の実施形態のものに限れることはなく、耐熱性を有する配線基板を用いたもの等、種々の態様で実施可能である。
Although the description of the specific embodiment is finished as described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be widely modified. For example, the number of
上述の実施形態では、アノード側スリップリング76が回転軸12に電気絶縁状態で取り付けられ、カソード側スリップリング78が回転軸12に電気導通状態で取り付けられているが、これとは逆にアノード側スリップリング76が回転軸12に電気導通状態で取り付けられ、カソード側スリップリング78が回転軸12に電気絶縁状態で取り付けられていもよい。この場合には、両スリップリングに対する直列接続回路の接続も逆になる。
In the above-described embodiment, the anode
また、固体電解質38のアノード側におけるアルカリ金属との接触面積を増大するための凹凸は、フィン46に限られることはなく、蛇腹形状であったり、半球状等の突起や窪みであったりしてもよい。
Further, the unevenness for increasing the contact area with the alkali metal on the anode side of the
また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。固体電解質38のフィン46等は、必須ではなく、省略されてもよい。
In addition, all the components shown in the above embodiment are not necessarily essential, and can be appropriately selected without departing from the gist of the present invention. The
10 アルカリ金属熱電変換器(AMTEC)
12 回転軸
16 円盤部材(板状部材)
20 セル取付基板
22 絶縁板
27 固体電解質
30 セル
32 高温側ハウジング
36 高温室
36A 第1室
36B 第2室
38 固体電解質
46 フィン
48 カソード
50 多孔質リード部材
52 接続端子
54 低温側ハウジング
56 低温室
62 第2通路
66 第1通路
70 電動モータ
76 アノード側スリップリング
78 カソード側スリップリング
80 導電接続板
82 リード線
84 リード線
86 リード線
88 リード線
90 リード線
92 リード線
94 導電接続板
10 Alkali metal thermoelectric converter (AMTEC)
12 Rotating
20
Claims (7)
前記セルは一つの回転軸線周りに配置され、
前記高温側ハウジングは前記回転軸線に沿った一側に配置され、
前記低温側ハウジングは前記回転軸線に沿った他側に配置され、
更に、前記複数のセルを電気的に直列に接続する直列接続回路と、
前記セルの全てを前記回転軸線を中心として回転させる駆動装置とを有し、
前記回転軸線を中心とした回転により生じる遠心力によって前記低温室内の前記アルカリ金属を前記第1通路を介して前記第1室に移動させるアルカリ金属熱電変換器。 A high temperature side housing that receives heat and a high temperature side, a low temperature side housing that dissipates heat and a low temperature, and a high temperature chamber in the high temperature side housing are divided into a first chamber and a second chamber. A solid electrolyte that allows the passage of ions, an anode provided in the first chamber, a cathode provided in the second chamber, a low temperature chamber in the low temperature side housing, and a first chamber communicating with the first chamber. A plurality of cells having one passage, a second passage communicating the low temperature chamber and the second chamber, and a liquid alkali metal stored in the low temperature chamber;
The cells are arranged around one axis of rotation;
The high temperature side housing is disposed on one side along the rotation axis;
The low temperature housing is disposed on the other side along the rotation axis;
Furthermore, a series connection circuit that electrically connects the plurality of cells in series;
A drive device for rotating all of the cells around the rotation axis;
An alkali metal thermoelectric converter that moves the alkali metal in the low-temperature chamber to the first chamber through the first passage by a centrifugal force generated by rotation about the rotation axis.
前記セルは前記高温側ハウジングと前記低温側ハウジングとを個別に構成され、前記高温側ハウジングの全てが前記板状部材の一方の側に固定され、前記低温側ハウジングの全てが前記板状部材の他方の側に固定されている請求項1に記載のアルカリ金属熱電変換器。 A plate-like member extending in a direction perpendicular to the rotation axis;
In the cell, the high temperature side housing and the low temperature side housing are individually configured, all of the high temperature side housings are fixed to one side of the plate member, and all of the low temperature side housings are the plate member. The alkali metal thermoelectric converter according to claim 1, which is fixed to the other side.
前記回転軸にはアノード側とカソード側のスリップリングとの何れか一方が電気絶縁状態で取り付けられており、他方が電気導通状態で取り付けられており、前記直列接続回路の一方の端子が前記一方のスリップリングに前記回転軸とは電気絶縁状態で導電接続され、前記直列接続回路の他方の端子が前記回転軸に導電接続されている請求項2または3に記載のアルカリ金属熱電変換器。 A rotation shaft disposed concentrically with the rotation axis and having the plate member attached thereto;
One of the anode side and cathode side slip rings is attached to the rotating shaft in an electrically insulated state, the other is attached in an electrically conductive state, and one terminal of the series connection circuit is the one of the ones 4. The alkali metal thermoelectric converter according to claim 2, wherein the slip ring is conductively connected to the rotary shaft in an electrically insulated state, and the other terminal of the series connection circuit is conductively connected to the rotary shaft.
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